背景介绍

随着环境污染与能源消耗问题日益严峻，发展可再生清洁能源技术迫在眉睫。电化学水分解制氢和锌空气电池(ZABs)因其零碳排放特性，成为替代化石燃料的关键技术。然而，水分解中的析氧反应(OER)动力学缓慢，严重制约整体效率。商用贵金属催化剂(如IrO₂、RuO₂)虽活性优异，但其高昂成本与资源稀缺性限制了大规模应用。

近年研究表明，镍铁层状双氢氧化物(NiFe LDH)凭借独特的二维结构、高比表面积和丰富的活性位点，在OER催化中展现出巨大潜力。然而，其本征导电性差和活性位点利用率不足等问题仍待突破。单原子催化剂(SACs)因最大化原子利用率和可调控的电子结构，成为优化催化性能的新策略。但将贵金属单原子(如Ru)稳定分散于NiFe LDH载体上仍具挑战，尤其是通过缺陷工程调控电子结构以提升OER动力学的研究亟待深入。

本文提出通过水热-碱蚀两步法，在泡沫镍(NF)基底上构建缺陷型NiFe LDH(D-NiFe LDH)，并锚定钌单原子(Ru SAs)。该设计利用缺陷位点稳定Ru单原子，通过电子再分布优化中间体吸附能，显著降低OER能垒，为开发高效稳定的锌空气电池和电解水催化剂提供新思路。

成果简介

本研究成功开发了一种钌单原子锚定的缺陷型镍铁层状双氢氧化物催化剂(Ru SAs/D-NiFe LDH@NF)。该材料通过水热反应结合碱性刻蚀策略合成，利用碱蚀产生的阳离子空位锚定原子级分散的钌单原子，形成稳定且高活性的催化界面。在碱性介质中，催化剂表现出卓越的OER性能：在50 mA cm^‒2电流密度下过电位低至206 mV，显著优于原始NiFe LDH(311 mV)和商业Ir/C(355 mV)；且经12小时恒电压测试后10 mA cm^‒2电流密度保持率仍为93.4%。理论计算与原位表征揭示，钌单原子通过高电负性诱导缺陷周围电子重分布，优化邻近Ni/Fe位点的电子结构，将*OOH中间体形成能垒降至1.60 eV，并降低了Ni²⁺向高活性Ni³⁺-OH物种转化所需电压，从而加速反应动力学。作为锌空气电池催化剂时，其最大功率密度达170 mW cm^‒2，在10 mA cm^‒2下比容量为783 mAh g_Zn^‒1，并实现350小时稳定循环。该工作提出的“缺陷工程+单原子协同”策略为高效能源转换催化剂设计提供了新范式。

图文导读

图1 Ru SAs/D-NiFe LDH@NF合成过程和表征。(a) Ru SAs/D-NiFe LDH@NF制备过程的示意图。(b) 和 (c) SEM图像。(d)-(f) 透射电镜图像。(g) HR-TEM图像。(h) AC HAADF-STEM图像(孤立的Ru原子用红色圆圈突出显示)。(i) Ru SAs/D-NiFe LDH@NF的元素映射组合图谱。(j) Ni、Fe、O和Ru的元素映射。

图 2 XRD、XPS和XAS的表征。(a) NiFe LDH@NF、D-NiFe LDH@NF和Ru SAs/D-NiFe LDH@NF的XRD图。(b)-(d) Ru SAs/D-NiFe LDH@NF的Fe 2p、Ni 2p和O 1s XPS光谱。(e) Ru SAs/D-NiFe LDH@NF、RuO₂、RuCl3和Ru箔的K边XANES光谱和 (f) 傅里叶变换EXAFS。(g) Ru SAs/D-NiFe LDH@NF的K空间内Ru K边的EXAFS光谱和 (h) R空间的EXAFS拟合图。(i) Ru SAs/D-NiFe LDH@NF的k³加权小波变换EXAFS谱。

图3 OER催化性能。(a) 在氧饱和的1 M KOH溶液中测得的LSV极化曲线。(b) 50 mA cm^‒2、100 mA cm^‒2、200 mA cm^‒2条件下过电位柱状图。(c) 塔菲尔斜率图。(d) NiFe LDH@NF、D-NiFe LDH@NF和Ru SAs/D-NiFe LDH@NF的 Cdl测试结果。(e) EIS阻抗图。 (f) Ru SAs/D-NiFe LDH@NF与Ir/C的计时电流曲线。(g)-(h) D-NiFe LDH@NF与Ru SAs/D-NiFe LDH@NF在OER过程中的原位拉曼光谱。(i) Ru SAs/D-NiFe LDH@NF经5000次CV测试后的SEM图像。

图 4 DFT 计算。(a) Ru SAs/D-NiFe LDH上的OER途径。(b)-(c) Ru SAs/D-NiFe LDH的结构示意图。(d) NiFe LDH、D-NiFe LDH 和 Ru SAs/D-NiFe LDH 的Gibbs自由能图。(e) Ru SAs/D-NiFe LDH的TDOS和PDOS。(f) NiFe LDH、D-NiFe LDH和Ru SAs/D-NiFe LDH的ELF相关二维数据。

图 4 DFT 计算。(a) Ru SAs/D-NiFe LDH上的OER途径。(b)-(c) Ru SAs/D-NiFe LDH的结构示意图。(d) NiFe LDH、D-NiFe LDH 和 Ru SAs/D-NiFe LDH 的Gibbs自由能图。(e) Ru SAs/D-NiFe LDH的TDOS和PDOS。(f) NiFe LDH、D-NiFe LDH和Ru SAs/D-NiFe LDH的ELF相关二维数据。

作者简介

邓意达，海南大学材料科学与工程学院教授。主要研究方向为材料电化学与功能应用方面的研究。以通讯作者在Nature Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.等国际知名学术刊物上发表SCI论文300余篇，其中高被引论文24篇，他引16000余次，H因子70。以第一发明人申请国家发明专利19项，已获授权6项，转让专利1项，合作出版中英文学术著作2部。连续3年入选全球前2%顶尖科学家榜单、科睿唯安“全球高被引科学家”榜单、爱思唯尔“中国高被引学者年度榜单”。

王浩志，海南大学材料科学与工程学院副研究员，海南省D类高层次人才，博士研究生导师。本硕博毕业于大连理工大学(导师：宋春山教授)，之后在天津大学-新加坡国立大学联合学院从事博士后研究(导师：胡文彬教授)，2022年加入海南大学。主要从事能源催化材料理论设计以及人工智能方法在新材料设计中的应用研究。近5年以第一或通讯作者身份在Nature Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表论文30余篇，目前主持1项国家自然科学基金项目，4项省部级项目。担任Carbon Energy、eScience、Advanced Powder Materials、Rare Metals、Carbon Neutralization等期刊青年编委。

胡小林，重庆理工大学物理与新能源学院副教授，“士继英才”青年拔尖人才，重庆市“巴渝学者青年学者”，硕士生导师。主要从事电化学能源存储与转换材料及器件相关研究，在J. Am. Chem. Soc.、Sci. Bull.、Adv. Sci.、Adv. Funct. Mater.等期刊发表论文40余篇。主持国家自然科学基金青年基金、中国博士后面上基金、重庆市自然科学面上/青年基金，重庆英才博士后研究项目特别资助一等资助等多项项目。担任《Frontiers in Materials》、《发光学报》、《Colloid and Surface Science》、《Renewable and Sustainable Energy》等期刊青年编委。

文章信息

Hu X, Cai C, Wang Y, et al. Ru single atoms regulate electron distribution in defective NiFe LDH for enhanced oxygen evolution reaction. Nano Research, 2025, 18(12): 94908120. https://doi.org/10.26599/NR.2025.94908120.

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